Java volatile 关键字的作用

理论基础

机器硬件Cpu

在早期的计算机的Cpu执行原理是是Cpu的寄存器直接访问主内存（RAM），在寄存器中从而进行对数据的更新和读取，再写回主内存。但随着计算机Cpu 的计算技术逐渐成熟，cpu的执行速度与访问主内存的速度被逐渐拉开，最极端情况下可能会达到上万倍。

Cpu Cache模型的提出

基于cpu的计算速度和访问主内存的速度两者之间的差距问题，原有通过FSB直连主内存的方式已不在适用。

于是便衍生出了在Cpu寄存器访问主内存的过程中添加一层缓存层（Cache）。

将缓存层又划分为多个Cache Line：L1、L2、L3，其中L1距离cpu寄存器最近，L3距离主内存最近

将L1又进行细分为：L1 instruction(指令) ，L1 data(数据)

按照这种思想最终形成的结构图为：

 执行步骤的改变

原来的：cpu 通过FSB直连主内存 -->读取数据放到寄存器-->计算--->写回主内存。

加入cache层（读操作）：cpu--->访问cache层-->读取主内存放到cache层--->cpu 读操作-->返回。

加入cache层（写操作）：cpu--->访问cache层-->读取主内存放到cache层--->cpu 读取cache数据-->放进寄存器进行计算-->写回cache层-->写回主内存。

 

Cpu 缓存不一致问题

Cache层的引入确实解决了cpu寄存器与主内存的速度差距，但也面临了一个新的问题。

如果Cache1与Cache2 同样存储了一份相同的数据，cache1对数据进行了修改，cahce2却无法感知 数据已经发生了变化，还是继续使用Cache2中的数据来进行计算，那么这个时候该怎么办？

比如：多线程进行 i++ 操作?

我们解析一下i++：

1. cpu寄存器从主内存加载数据到cache层
2. cpu寄存器从cache层获取 i 并进行加1
3. 将i+1的结果写回cache层
4. 更新主内存中 i 的结果

Cpu 缓存不一致问题解决方案

1.采用总线（数据总线、控制总线、地址总线）控制，类似于sync锁，设计理念为只允许单个cpu在拿到总线锁后才能进行对数据的更新。其他cpu进入阻塞状态。缺点也雷同sync。

2.采用缓存一致性协议，设计理念：当共享数据发生修改时其他cpu缓存的共享数据全部失效，直接从主内存中获取。

加入缓存一致性协议后的结构图：

 

JAVA 内存模型（JMM: java memory mode)

在有了cpu对内存分访问速度以及衍生的缓存问题得到解决后的理论知识，我们来看看Java内存模型是如何与主内存进行交互或者说是怎么样的关系？

在java内存模型中定义了与主内存之间的抽象关系：

1. 共享变量值存储于主内存中，每一个线程都可以访问。
2. 每一个线程都有自己私有的共享变量副本（工作内存或者本地内存）
3. 线程不能直接访问主内存，而是通过操作共享变量副本来更新主内存
4. 工作内存只存储该线程对共享变量的副本。
5. 工作内存和java内存模型一样只是一个抽象的概念，它其实并不存在。

 

说起java内存模型，那么内存模型中栈内存与堆内存，这种只在java内存模型中的概念是怎么样跟实际物理cpu硬件进行交互的呢？

 

参考书籍：

《Java高并发编程详解：多线程与架构设计》---汪文君